??? 摘 要：介紹了基于智能卡讀寫模塊ZLG500的門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理與方法，主要分析了該智能卡門禁系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸模塊、系統(tǒng)主模塊和系統(tǒng)時(shí)鐘模塊的工作原理，同時(shí)給出了智能卡讀寫模塊ZLG500與主模塊MCU的硬件接口及部分軟件代碼。本系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行，具有穩(wěn)定可靠和操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。
??? 關(guān)鍵詞：ZLG500；智能卡；門禁系統(tǒng)
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??? 目前智能卡的應(yīng)用越來越廣泛，如校園一卡通系統(tǒng)、城市公交系統(tǒng)、大型會(huì)議簽到系統(tǒng)、消費(fèi)系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)等都使用了智能卡。本文以ZLG500讀寫模塊作為卡與門禁機(jī)交換數(shù)據(jù)的接口模塊為例，介紹了ZLG500在智能卡門禁系統(tǒng)中的應(yīng)用。
1 讀寫模塊ZLG500
1.1 ZLG500與MCU的接口原理
??? ZLG500模塊采用Philips公司最新推出的高集成ISO14443讀卡芯片MF RC500該芯片。該芯片能讀寫RC500內(nèi)EEPROM，提供三線制SPI接口，并具有控制線輸出端口，能與任何MCU連接。ZLG500與MCS51單片機(jī)的接口原理圖如圖1所示。ZLG500模塊的EMC性能優(yōu)良，并且自帶無源蜂鳴器信號(hào)輸出，還能用軟件控制輸出頻率及輸出持續(xù)時(shí)間。
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??? 圖1中，SS、SCLK、SDATA為ZLG500與MCU相連接的控制線，分別為片選線SS、時(shí)鐘線SCLK和數(shù)據(jù)線SDATA。主控制器的MCU和讀卡模塊內(nèi)的MCU通過此三線相連。接口空閑時(shí)，主機(jī)的SS=1、SCLK=0、SDATA=0，而從機(jī)的SS=1、SCLK=1、SDATA=0。其中，SS和SDATA都是雙向的，而時(shí)鐘線SCLK是單向的，即時(shí)鐘只能由主控制器產(chǎn)生，該信號(hào)必須嚴(yán)格遵守時(shí)序規(guī)范，否則將出現(xiàn)通信錯(cuò)誤，此時(shí)讀卡模塊必須釋放該線。
??? SS還作為數(shù)據(jù)發(fā)送使能端，若一方有數(shù)據(jù)要發(fā)送給另一方，則該方控制SS線為低電平，并在發(fā)送結(jié)束后將該線置高電平，接收數(shù)據(jù)方不得控制該線，雙方必須遵守該通信協(xié)議，不得同時(shí)控制該線。
??? SDATA為數(shù)據(jù)線，由數(shù)據(jù)發(fā)送端控制數(shù)據(jù)，接收端必須釋放該線。SDATA在一次傳輸開始時(shí)還同時(shí)作為數(shù)據(jù)接收端的響應(yīng)信號(hào)。
1.2? ZLG500與MCU接口的時(shí)序及通信協(xié)議
??? ZLG500與MCU無論數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蛉绾?，SPI 線上信號(hào)的波形總是如圖2所示。由圖中可以看出，在SS為低時(shí)，時(shí)鐘和數(shù)據(jù)線上的信號(hào)才有效；且在SCLK為低時(shí)，SDATA才變化，在SCLK為高時(shí)，SDATA應(yīng)保持穩(wěn)定。
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??? 以上傳輸中，從數(shù)據(jù)發(fā)送器請(qǐng)求開始至數(shù)據(jù)接收器響應(yīng)的時(shí)間是不確定的，取決于接收器內(nèi)的MCU是否忙。因此，有必要設(shè)置看門狗定時(shí)器對(duì)數(shù)據(jù)接收器的響應(yīng)進(jìn)行監(jiān)視，一旦接收器響應(yīng)，則MCU必須根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸方向，嚴(yán)格控制以下幾個(gè)時(shí)間，以確保數(shù)據(jù)傳輸無誤。
??? t1：數(shù)據(jù)接收器響應(yīng)至MCU產(chǎn)生第1個(gè)SCLK上升沿的時(shí)間。
??? t2：2個(gè)字節(jié)傳輸之間SCLK低電平的持續(xù)時(shí)間。
??? t3：傳輸最后1個(gè)字節(jié)的最后1位的SCLK信號(hào)的上升沿至SS上升沿的時(shí)間。
??? tH：SCLK信號(hào)的高電平持續(xù)時(shí)間。
??? tL：SCLK信號(hào)的低電平持續(xù)時(shí)間。
??? 數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较虿煌瑫r(shí)，對(duì)時(shí)間t1、t2、t3、tH、tL都有各自不同的要求。
??? MCU與ZLG500的通信必須先由MCU發(fā)送命令和數(shù)據(jù)給ZLG500，ZLG500執(zhí)行命令完畢后，將命令執(zhí)行的狀態(tài)和響應(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)回給MCU。
??? 開始通信前，收發(fā)雙方必須處于空閑狀態(tài)。首先由MCU發(fā)出SS下降沿信號(hào)，然后等待ZLG500在SDATA線上的響應(yīng)，若在50 ms內(nèi)未檢測(cè)到此信號(hào)，則退出本次傳輸。若正確響應(yīng)，則MCU可將命令和數(shù)據(jù)發(fā)送出去。然后MCU等待ZLG500發(fā)回的狀態(tài)和響應(yīng)數(shù)據(jù)，即等待SS線上的下降沿信號(hào)，若在50 ms內(nèi)未檢測(cè)到此信號(hào)，則退出本次傳輸；若正確檢測(cè)到SS信號(hào)，則可以接收狀態(tài)和數(shù)據(jù)。
2? 智能卡門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 智能卡門禁系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
??? 系統(tǒng)采用Philips公司的非接觸智能IC卡Mifare 1卡，以M1卡作為用戶卡，以用戶卡的序列號(hào)SN(全球唯一)為依據(jù)控制門的開啟。由于它是一個(gè)高頻卡(工作頻率為13.5 MHz)，有較強(qiáng)的抗干擾能力且讀寫距離遠(yuǎn)(2.5 cm～10 cm)。
??? 整個(gè)智能卡門禁系統(tǒng)分為3部分：(1)讀寫器部分，包括MCU、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、顯示電路、鍵盤、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等主控模塊及非接觸IC卡讀寫模塊和電鎖驅(qū)動(dòng)部分；(2)中央控制電腦的軟件管理系統(tǒng)模塊；(3)中央控制電腦與讀寫器之間的數(shù)據(jù)傳輸模塊。其總體系統(tǒng)框圖如圖3所示。
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??? 首先,在發(fā)卡系統(tǒng)(中央控制PC機(jī))里把用戶的卡號(hào)及個(gè)人信息輸入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，并將該卡號(hào)作為合法卡號(hào)下載給所有門禁機(jī)。當(dāng)有1張M1卡在門禁機(jī)的有效工作范圍內(nèi)時(shí),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)向卡發(fā)出命令,卡接收到命令后向門禁機(jī)反饋其SN，門禁機(jī)判斷收到的卡號(hào)是否合法，合法則驅(qū)動(dòng)電磁門鎖開門，并實(shí)時(shí)上傳其開門記錄；如果是非法卡(未經(jīng)授權(quán)或已掛失的卡)則拒絕開門并上傳報(bào)警信息。只有最高授權(quán)者(掌握授權(quán)密碼)才可以發(fā)管理員卡，管理員必須用管理員卡方可登錄發(fā)卡系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)卡/下傳合法卡號(hào)、掛失、解掛、下傳黑名單等操作。
??? 通過AT89C52對(duì)ZLG500的控制達(dá)到對(duì)卡的讀寫。系統(tǒng)外圍配有RS232轉(zhuǎn)RS485的接口并能與PC機(jī)互連成網(wǎng)絡(luò)，可以完成讀卡、顯示卡號(hào)和出入時(shí)間、身份識(shí)別、開鎖以及保存和上傳出入記錄、下載黑名單、設(shè)置開門權(quán)限等功能。
??? 門禁機(jī)模塊的主控軟件主要完成門禁機(jī)模塊的初始化、卡的識(shí)別、開啟門鎖及保存有關(guān)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)的傳輸?shù)?大功能。其總體工作流程如圖4所示。
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2.2 主控模塊
??? 如圖3所示，智能卡門禁系統(tǒng)中主控模塊主要由MCU(AT89C52)、ZLG500、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)接口電路、鍵盤與顯示接口電路及電鎖等幾個(gè)部分組成。MCU除了完成對(duì)ZLG500讀寫模塊的控制外，還要承擔(dān)其他功能的控制，主要包括4大部分：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)傳輸、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和掉電保護(hù)、鍵盤和顯示、驅(qū)動(dòng)控制。
2.2.1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)傳輸模塊
??? 各門禁點(diǎn)的出入記錄可采用實(shí)時(shí)上傳或定時(shí)采集的方式從門禁機(jī)傳輸給中央數(shù)據(jù)庫，前者對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)速度要求較高，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)堵塞時(shí)有丟失數(shù)據(jù)的可能。本系統(tǒng)采用了出入記錄暫時(shí)存儲(chǔ)在門禁機(jī)中、每隔一段時(shí)間(例如每周1次)上傳給中央數(shù)據(jù)庫的方式，為此要求門禁機(jī)具備一定容量的存儲(chǔ)器，用于暫存門禁數(shù)據(jù)以及由中央數(shù)據(jù)庫下載的授權(quán)卡號(hào)。門禁機(jī)存儲(chǔ)器的容量取決于一個(gè)門禁記錄的長(zhǎng)度、系統(tǒng)的卡容量以及定時(shí)上傳周期內(nèi)最大的刷卡次數(shù)等，通常應(yīng)留有一定的余量以免由于超出存儲(chǔ)容量而丟失數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用了AT24C256作為門禁機(jī)的存儲(chǔ)器，其存儲(chǔ)容量達(dá)64 KB，劃分成2個(gè)區(qū)，一個(gè)區(qū)用來存儲(chǔ)所讀取的記錄，另一個(gè)區(qū)用來存儲(chǔ)上位機(jī)下載的授權(quán)卡號(hào)。門禁機(jī)存儲(chǔ)器模塊的電路原理圖如圖5所示。
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??? AT24C256是ATMEL公司具有I2C總線結(jié)構(gòu)、可電擦寫與編程的只讀存儲(chǔ)芯片(EEPROM)，MCU對(duì)AT24C256的讀寫必須遵循I2C總線傳輸?shù)臅r(shí)序要求，且向AT24C256寫入和讀出數(shù)據(jù)的時(shí)序和格式要求與AT24C01基本一致。
??? 單一的讀寫器，自身的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是有限的，讀寫器外帶的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器主要作為數(shù)據(jù)的臨時(shí)存儲(chǔ)，對(duì)于大量的、需要長(zhǎng)期保存的數(shù)據(jù)，一般是通過有線或無線、甚至網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸?shù)街骺赜?jì)算機(jī)中進(jìn)行保存。
2.2.2 主模塊的軟接口
??? 以主模塊中ZLG500與MCU(AT89C52)通信為例介紹智能卡門禁系統(tǒng)中主模塊的軟接口。ZLG500初始化的子程序如下：
??? SCLK? BIT? P1.0
??? SDATA? BIT? P1.1
??? SS? BIT? P1.2
??? RST? BIT? P3.3
??? Zlg500:?? SETB??? RST?????????? ; ZLG500內(nèi)部復(fù)位
??????????????LCALL? DELAY_50MS
??????? ???? ?CLR? RST
??????? ????? LCALL? DELAY_50MS
???????????? ?SETB? SS???????????? ; 處于空閑狀態(tài)
??????????? ??CLR? SDATA
??????????? ??CLR? SCLK
??????????????MOV 58H,#11H
??? ??????? ??MOV 59H,#11H
??? ??????? ??MOV 5AH,#11H
??? ??????? ??MOV 5BH,#11H
??? ??????? ??LCALL? CONFIG?????? ; 配置
??? ??????? ??LCALL? REQUEST????? ; 發(fā)送請(qǐng)求
??? ??????? ??LCALL? ANTICOLL???? ; 防碰撞
??? ；***********? IF HAVE CARD ***********
???? ?????? ??MOV A,52H
??? ??????? ??CJNE? A,#04H,SA123?? ; A=04 IS NO CARD
??? ??????? ??LJMP? SA234
??? SA123:????RET
??? SA234:????LCALL? ?READ_BLOCK?? ; 從存儲(chǔ)器中讀取數(shù)據(jù)
??????? ????? LCALL? DELAY_100MS
??? ??????? ??MOV?? ?R2,#20
??? ??????? ??MOV?? ?R0,#58H
??? ??????? ??MOV?? ?R1,#80H
??? ??????? ??LCALL? COMPARE?????? ;進(jìn)行卡號(hào)的比較和驗(yàn)證
??? REL13:??? SETB? FLAG
??????????????LCALL? REL123
??????????? ??JB? FLAG,REL13
??????????? ??RET
??? 上述程序中CONFIG子程序?yàn)镽C500的復(fù)位和配置子程序，是由MCU向ZLG500發(fā)出的不帶數(shù)據(jù)的命令程序；REQUEST子程序是MCU向ZLG500發(fā)出的帶一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的命令程序，主要是檢查在有效范圍內(nèi)是否有卡存在；ANTICOLL子程序是防沖突操作，必須在執(zhí)行了REQUEST命令后立即執(zhí)行。
2.2.3 時(shí)鐘控制
??? 在門禁系統(tǒng)中，需要實(shí)時(shí)記錄出入數(shù)據(jù)(開門的卡號(hào)及其出現(xiàn)的時(shí)間)。若采用單片機(jī)軟件計(jì)時(shí)，一方面需要占用硬件計(jì)數(shù)器資源，另一方面需要設(shè)置中斷、查詢等，耗費(fèi)單片機(jī)的CPU資源。而在系統(tǒng)中采用芯片DS1302則能很好地解決這個(gè)問題。DS1302是美國(guó)DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，它可以對(duì)年、月、日、星期、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，且具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓為2.5 ～5.5 V。圖6所示是實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302與MCU連接電路原理圖。DS1302采用三線接口與MCU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式1次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)或RAM數(shù)據(jù)。
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??? MCU對(duì)DS1302的讀寫控制主要包括DS1302的初始化和讀取DS1302的時(shí)間和日期，初始化過程就是給DS1302賦予初始的時(shí)間和日期。當(dāng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片被啟動(dòng)后，在沒有接收到新的初始化指令情況下，使內(nèi)部的時(shí)鐘將一直不停地運(yùn)行，從而保證時(shí)間的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性；MCU在任何時(shí)候都可以通過讀取DS1302內(nèi)部時(shí)間和日期寄存器中的值而獲得準(zhǔn)確的時(shí)間和日期。關(guān)于實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片的使用可參見參考文獻(xiàn)[2]。
3? 與上位機(jī)的通信軟件接口設(shè)計(jì)
??? 上位機(jī)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)采用Visual FoxPro編寫。本系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的通信控件communications進(jìn)行通信程序的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)掛失數(shù)據(jù)的發(fā)送、用戶卡號(hào)的發(fā)送、發(fā)卡和門禁模塊數(shù)據(jù)的接收。每次通信時(shí)，首先在上位機(jī)的init事件中初始化通信控件olecontrol1,初始化設(shè)置為：
??? thisform.olecontrol1.CommPort=1? //選擇串行口com1
??? thisform.olecontrol1.PortOpen=1? //打開串行口com1
??? thisform.olecontrol1.InputMode=0? //接收的數(shù)據(jù)按文本方式
??? thisform.olecontrol1.RTSEnable=1? //允許使用rts線，用于RS-232/485轉(zhuǎn)換器的發(fā)送控制和供電
??? thisform.olecontrol1.InputLen=1? //每次讀取接收緩沖區(qū)的1個(gè)字符
??? thisform.olecontrol1.OutbufferCount=0? //清除發(fā)送緩沖區(qū)
??? thisform.olecontrol1.InbufferCount=0? //清除接收緩沖區(qū)
??? 智能卡的應(yīng)用并不是簡(jiǎn)單的讀寫卡操作，而是一個(gè)綜合性的工程項(xiàng)目。它不僅包括卡和讀寫模塊的選擇，還涉及到讀寫模塊的控制、數(shù)據(jù)的傳輸、數(shù)據(jù)的處理和存儲(chǔ)；既需要有硬件應(yīng)用的知識(shí)、還必須具有軟件方面的能力。本系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用的驗(yàn)證，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，操作簡(jiǎn)單方便，因而具有較好的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
[1]? 廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司.ZLG500C Mifare卡讀寫模塊應(yīng)用. http://www.zlgmcu.com.2008-09.
[2]? 洪家平.DS1307及在太陽能電池控制裝置中的應(yīng)用[J].湖北師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2007(3).
[3]? 高美珍.AT88RF020型射頻識(shí)別卡及其應(yīng)用[J].國(guó)外電子元器件，2006(2).
[4]? 林凌,李剛,丁茹,等.新型單片機(jī)接口器件與技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2005.